Аннотация:
Исследовательская группа под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) недавно объявила о новом исследовании образования кристаллов. Впервые ученые использовали технологию трехмерной атомной визуализации для наблюдения за процессом зарождения кристаллов атом за атомом и обнаружили, что не существует четкой границы между упорядоченной структурой внутри кристалла и окружающим неупорядоченным материалом, как описано классической теорией. Это открытие может изменить фундаментальное понимание того, как формируются кристаллы во время фазовых переходов в материи.
В течение почти столетия ученые полагались на классическую теорию нуклеации для объяснения процессов фазового перехода, таких как замерзание жидкости и конденсация газа. Эта теория утверждает, что внутри вещества сначала образуются крошечные упорядоченные области, известные как кристаллические ядра, а затем эти кристаллические ядра будут продолжать расти, в конечном итоге образуя полноценные кристаллы. Основные уравнения, лежащие в основе этой теории, были подтверждены тысячами экспериментов.
Однако, когда исследователи наблюдали образование кристаллов в трехмерном пространстве по отдельности, фактическая структура кристаллического ядра отличалась от того, что предсказывала классическая модель. Исследовательская группа использовала наночастицы сложного сплава, состоящего из множества металлических элементов, и разработала метод замораживания ядер кристаллов на разных стадиях формирования, что позволяет наблюдать за этим процессом, который обычно происходит чрезвычайно быстро.
Исследователи обнаружили, что переход от упорядоченных кристаллов к окружающему неупорядоченному материалу происходит постепенно, а не внезапно с четкой разделительной линией. Цзяньвэй «Джон» Мяо, профессор физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, член Калифорнийского института наносистем и автор статьи, сообщил, что кристаллическое ядро не имеет однородной внутренней структуры и четких границ, как описано классической теорией нуклеации. Напротив, центральная область каждого кристаллического ядра имеет наибольшую кристалличность. Чем ближе к границе, тем более беспорядочным становится расположение атомов, образуя непрерывный градиент.
Чтобы объяснить это явление, исследовательская группа предложила более сложную «модель градиентного пути нуклеации». Эта новая модель не отменяет классическую теорию нуклеации, а, скорее, расширяет ее. Мяо сказал, что классическую теорию на самом деле можно рассматривать как частный случай новой модели: если этот частный случай включить в новые уравнения, можно получить точно такие же результаты, как и классическая теория нуклеации. Но в реальных экспериментах исследователи никогда не наблюдали четких границ атомного масштаба, вместо этого неоднократно наблюдая эту градиентную структуру.
Процесс нуклеации широко распространен в природных и инженерных системах, таких как образование облачных капель и промышленное производство. Таким образом, переосмысление этого процесса может повлиять на многие области исследований и дать основу для разработки новых технологий.
Чтобы уловить различные стадии формирования кристаллов, исследователи сначала нагрели наночастицы до температуры более 3000 градусов по Фаренгейту (около 1649 градусов по Цельсию), а затем быстро охладили их до комнатной температуры за несколько сотых долей секунды. Быстрое охлаждение инициирует процесс образования кристаллов, в то время как ядра кристаллов в различных наночастицах остаются на разных стадиях развития.
Мяо объяснил, что время, необходимое для сбора данных, намного больше, чем сам процесс нуклеации, поэтому исследователи должны сначала «заморозить» процесс образования кристаллов, прежде чем они смогут изучать явление нуклеации на разных стадиях.
Затем исследовательская группа использовала атомно-электронную томографию для выполнения поатомной трехмерной реконструкции каждой наночастицы, а также использовала расширенный статистический анализ для количественной оценки степени порядка в различных областях. Весь набор данных содержит более 8000 ядер размером от менее 10 атомов до более 1000 атомов.
Исследователи неоднократно наблюдали одну и ту же картину в этих ядрах: степень атомного порядка была максимальной в центральной области и постепенно снижалась к поверхности. По мере того как кристаллическое ядро продолжает расти, степень порядка в его центральной области будет еще больше возрастать.
Эти градиентные структуры также меняют понимание исследователями энергии, необходимой для образования кристаллических ядер. Классическая теория нуклеации утверждает, что кристаллические ядра должны преодолеть четкую минимальную потребность в энергии, так называемый энергетический барьер. Лишь несколько кристаллических ядер, обладающих достаточной энергией, могут пересечь эту «стену».
Однако экспериментальные результаты показывают, что процесс нуклеации может не пересекать энергетический барьер сразу, а постепенно завершается через несколько промежуточных стадий. Мяо сравнил это с восхождением на стену: классическая теория утверждает, что кристаллическое ядро должно перелезать прямо через стену, но результаты исследований показывают, что природа, возможно, выбрала более эффективный путь, шаг за шагом поднимаясь по лестнице и используя несколько промежуточных состояний для преодоления энергетических барьеров. Исследовательская группа считает, что новая модель пути градиентной нуклеации может описать этот процесс и объяснить, почему кристаллические ядра могут образовываться более эффективно.
Полный процесс фазового перехода также требует объединения различных кристаллических ядер друг с другом. Исследовательская группа также обнаружила в этом процессе неожиданное явление: многие ядра кристаллов, находящиеся близко друг к другу, уже перед слиянием имеют почти одинаковую ориентацию, что облегчает их окончательное объединение.
Мяо сказал, что было удивительно, что многие ядра уже почти выровнялись перед слиянием. Это может отражать путь формирования с более низкой энергией, но также показывает, что еще многое предстоит изучить в отношении того, как природа организует материю.
Сплавы с высокой и средней энтропией, использованные в этом эксперименте, начали появляться только около 20 лет назад. Такие материалы состоят из нескольких металлических элементов, смешанных примерно в равных пропорциях, в отличие от традиционных сплавов, таких как сталь, где доминирует один основной элемент. Их сильно смешанная атомная структура может обеспечивать необычные комбинации свойств, таких как прочность и гибкость, а также может использоваться для создания более эффективных и долговечных катализаторов химических реакций.
Понимание процесса зарождения этих материалов может помочь исследователям лучше их проектировать и разрабатывать, говорит Мяо. В то же время исследовательская группа считает, что эту модель можно широко применять и к другим системам нуклеации.
Поскольку нуклеация является повсеместным явлением в природе и инженерных системах, это исследование может повлиять на такие разнообразные области, как физика, моделирование климата, продукты питания, фармацевтика, полупроводники и электроника. Метод атомной визуализации, использованный на этот раз, также может предоставить исследователям новый инструмент для изучения того, как разворачивается процесс нуклеации.
Для Мяо более важное значение этого исследования заключается в том, что оно может побудить научное сообщество переосмыслить то, как материя организует себя во время фазовых изменений. Он сказал, что исследовательская группа считает, что эта работа изменит понимание исследователями явлений нуклеации, и надеется, что будущие учебники в конечном итоге отразят это новое понимание.
Это исследование под названием «Зарождение и рост кристаллов в высокоэнтропийных сплавах, выявленные с помощью атомной электронной томографии» было опубликовано в журнале Nature Materials 25 августа 2026 года. Исследование в основном поддерживалось Отделом материаловедения и инженерии Программы фундаментальных энергетических наук Управления науки Министерства энергетики США.
Комментарии